- Nuôi cấy bề mặt (surface cultivation): Thường vi sinh vật phát triển trên bề mặt mơi trường Ví dụ, vi sinh vật phát triển trên bề mặt môi trường thạch trong hộp Petri hay phát
CƠ SỞ KỸ THUẬT LÊN MEN CÔNG NGHIỆP 4.1 Đặc điểm chung của kỹ thuật lên men công nghiệp
4.1.1.2. Nguyên tắc cơ bản của lên men công nghiệp
Lên men công nghiệp dựa trên sự trao đổi chất của vi sinh vật. Vi sinh vật sản xuất các loại chất khác nhau để chúng sử dụng cho sinh trưởng, phát triển và duy trì tế bào của chúng, những chất này có thể hữu ích cho con người. Mục tiêu của cơng nghệ lên men công nghiệp là tạo điều kiện thuận lợi để vi sinh vật sản xuất các chất hữu ích.
Ngun rắc cơ bản của q trình lên men cơng nghiệp cần xem xét: 1. Quá trình lên men
Trên thực tế cũng cần làm rõ khái niệm lên theo nghĩa rộng và nghĩa hẹp. Thông thường trước đây, khái niệm lên men theo nghĩa hẹp là chỉ sử dụng các vi sinh vật lên men là lên men kỵ khí như lên men rượu bia, lên men lactic, lên men một số dung môi hữu cơ, lên men metan... Khái niệm lên men (fermentation) như vậy được hiểu là quá trình nhường năng lượng mà ở đó các phân tử hữu cơ vừa là chất cho electron, lại vừa là chất nhận electron, các phân tử được trao đổi này khơng có thế năng (potential energy) của nó được chiết ra. Nói cách khác, nó khơng bị oxy hố hồn tồn. Như vậy, cũng có thể định nghĩa như sau:Lên men là một q trình chuyển hố sinh học (biotrans-formation) các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật tạo thành năng lượng hoá học dưới dạng ATP khơng có oxy phân tử tham gia.Các q trình lên men ở đây theo nghĩa hẹp và cũng cịn được hiểu đây là các q trình lên men các sản phẩm truyền thống (hình 4.1). Cịn lên men theo nghĩa rộng và thường sử dụng trong công nghiệp sản xuất là lên men sinh tổng hợp các sản phẩm như các chất kháng sinh, các loại enzyme và các chất có hoạt tính sinh học khác.
Các quá trình lên men khác nhau được phân loại theo cơ chất sinh trưởng thông qua trao đổi chất đến sản phẩm: Chất trao đổi sơ cấp và chất trao đổi thứ cấp (hình 4.2). Dựa vào đặc
điểm sinh lý sinh hóa của chủng giống, q trình lên men được chia làm hai động thái quá trình lên men (hình 4.3):
(a) Từ cơ chất sinh trưởng được chuyển hóa đến sản phẩm là chất trao đổi sơ cấp thường tăng đồng hành với lượng sinh khối tế bào, các chất trao đổi sơ cấp được sinh ra trong giai đoạn phát triển của chủng giống như rượu, axit lactic, có nghĩa đồng hành cùng sử phát triển của tế bào (hình 4.3A).
(b) Từ chất sinh trưởng được chuyển hóa đến sản phẩm là chất trao đổi thứ cấp sau khi pha sinh trưởng gần hồn thành, có nghĩa là sau khi sinh khối phát triển trong pha tăng tốc mới hình thành sản phẩm như penicillin, streptomycin v.v… Cho nên, quá trình lên men sản
Hình 4.2: Các q trình lên men chuyển hóa cơ chất sinh trưởng đến sinh khối tế bào và sản phẩm trao đổi chất (chất trao đổi sơ cấp và chất trao đổi thứ cấp).
A
B C
Hình 4.3:Sự thay đổi chất sinh trưởng, sinh khối tế bào và sản phẩm: chất trao đổi sơ cấp (A) và chất trao đổi thứ cấp (B) trong quá trình lên men. Hình 4.1: Sự đa dạng các con đường lên men (kỵ khí) bởi các vi sinh vật lên
men (El-Mansi EMT et al., 2012) .
phẩm trao đổi chất thứ cấp là quá trình lên men được chia thành 2 pha: Pha sinh trưởng và pha sinh tổng hợp (hình 4.3B).
Trong cơng nghiệp, bất kỳ quá trình lên men vi sinh vật cấp độ lớn được gọi là lên men cơng nghiệp, vì vậy, thuật ngữ lên men cơng nghiệp có nghĩa khác so với thuật ngữ lên men thường dùng trong sinh học và hầu hết các q trình lên men cơng nghiệp đều địi hỏi oxy.
2. Chủng giống lên men cơng nghiệp
Các sinh vật khác nhau, chẳng hạn như vi khuẩn, nấm, các tế bào thực vật và động vật, được sử dụng trong các q trình lên men cơng nghiệp.
Một cơ thể dùng để lên men công nghiệp phải tạo ra sản phẩm mong muốn với năng suất cao, phát triển mạnh trong mơi trường ni cấy rẻ tiền, có sẵn với số lượng lớn, thường được cải biến di truyền và không gây bệnh (hoặc không là nguyên nhân gây bất kỳ bệnh nào).
3. Môi trường lên men
Để tạo ra một sản phẩm mong muốn bằng cách lên men, vi sinh vật cần chất dinh dưỡng (cơ chất). Chất dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật được gọi là môi trường và hầu hết các q trình lên men địi hỏi mơi trường lỏng hoặc môi trường lên men rắn (xốp). Thành phần môi trường cơ bản bao gồm cacbon, nitơ, oxy và hydro dưới dạng các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ, các nguyên tố đa lượng và vi lượng khác cũng phải được cung cấp, ví dụ như sắt, phospho hoặc lưu huỳnh.
4. Hệ thống lên men
Q trình lên men cơng nghiệp diễn ra trong thiết bị lên men hoặc thiết bị phản ứng sinh học. Thiết bị lên men là các bình kín (để tránh nhiễm vi sinh vật) đạt dung tích lớn, lên tới vài trăm nghìn lít, được các kỹ sư thiết kế với mục đích chính của thiết bị lên men là cung cấp các điều kiện lên men có thể kiểm soát được cho sự phát triển của các tế bào vi sinh vật hoặc các tế bào khác, các thơng số như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, dịng chất lỏng và các biến khác được kiểm sốt.
Có hai loại thiết bị lên men phụ thuộc vào việc cấp khí: loại dùng cho q trình kỵ khí (khơng có oxy) và q trình hiếu khí, nhưng lên men hiếu khí là phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp, cịn thiết bị lên men kỵ khí có thể đơn giản như bể hoặc thùng bằng thép khơng gỉ. Lên men hiếu khí phức tạp hơn, vì phần quan trọng nhất trong các hệ thống này là sục khí, đặc biệt trong một q trình lên men quy mơ lớn, cung cấp oxy là rất quan trọng, do đó vận chuyển và phân tán oxy được được thực hiện bằng cánh khuấy hoặc vịi phun oxy (khơng khí).
5. Kiểm sốt và giám sát lên men
Kiểm sốt được quá trình lên men cơng nghiệp là nhiệm vụ rất quan trọng để đảm bảo các chủng giống sinh vật có điều kiện phát triển tốt, do đó ngồi việc giám sát thơng thường bằng các kỹ thuật phịng thí nghiệm, thì máy tính được sử dụng để kiểm sốt và giám sát quá trình lên men như nhiệt độ, pH, mật độ tế bào, nồng độ oxy hòa tan, mức độ dinh dưỡng và nồng độ sản phẩm.